第1章 绪论
1.1 全陶瓷球轴承简介
1.1.1 全陶瓷球轴承与工程陶瓷
1. 全陶瓷球轴承概念
全陶瓷球轴承是一种轴承套圈与滚动体均由工程陶瓷材料制成的特种轴承，由于工程陶瓷材料的特殊性能，全陶瓷球轴承与传统钢制轴承相比具有优良的性能。全陶瓷球轴承具有刚度大、热稳定性好、耐磨损、耐腐蚀以及运转精度高、寿命长等优点。
2. 工程陶瓷材料特性
陶瓷材料是由金属及非金属元素的无机化合物构成的多晶固体材料，同金属材料、高分子材料一起称为三大固体材料。与传统陶瓷材料相比，工程陶瓷材料是以人工合成的高纯度化合物为原料，经过烧结和成形加工而成。由于工程陶瓷材料具有高强度、高硬度、高耐磨性、耐高温、耐腐蚀、低密度、低膨胀系数等优越性能，已经用来制造轴承、密封环、燃气轮机燃烧器、涡轮叶片、航天器喷嘴等，在各个装备制造领域得到越来越多的应用[1]。
工程陶瓷的种类繁多，根据它的特性和用途可分为功能陶瓷和结构陶瓷两大类[2]。其中，功能陶瓷又分为：用于电子材料的功能陶瓷，包括导电陶瓷、光电陶瓷、电介质陶瓷等；用于磁性材料的功能陶瓷，包括软磁铁氧体、硬磁铁氧体和磁记录材料等；用于光学材料的功能陶瓷，包括耐热透明材料、透明陶瓷、红外光学材料等。结构陶瓷包括高温和高强度陶瓷、超硬工模具陶瓷及化工陶瓷等，具有优良的力学性能(高强度、高硬度、耐磨损)、热性能(抗热、抗蠕变)和化学性能(抗氧化、抗腐蚀)。氧化物和非氧化物结构陶瓷是广泛应用的工程陶瓷，这类陶瓷包括氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和硼化物陶瓷。氮化硅陶瓷就是一种氮化物陶瓷。
工程陶瓷材料有氮化硅(Si3N4)、氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)和氧化锆(ZrO2)等。经比较可知，氮化硅陶瓷材料的综合性能优于其他陶瓷材料，是目前制备陶瓷球常用的陶瓷材料。氮化硅陶瓷材料的失效形式与轴承钢类似，是以具有先兆的剥落方式出现的，而氧化锆、氧化铝均以突然碎裂的失效方式出现，不满足陶瓷轴承平稳运行的要求[3]。表1.1列出了四种典型工程陶瓷的特性[4]。
表1.1 典型工程陶瓷的特性
1.1.2 氮化硅陶瓷材料
1. 氮化硅陶瓷材料概述
工程陶瓷作为陶瓷材料中的重要组成部分，已经引起了世界范围内诸多科研机构的高度重视，并对其进行了深入研究，取得了大量研究成果及突破性进展。氮化硅在工程陶瓷材料中具有重要特性，很多研究学者对其优异的物理及化学性能产生了研究兴趣。举例来说，20世纪70年代前后英、法等发达国家的众多高校及科研院所就已经开始了对氮化硅陶瓷的先行研究，他们*先对氮化硅陶瓷的结构、性能进行了分析，接着对其加工方式进行了探索，*后研究了其应用方向。在70年代之后，世界范围内兴起了对氮化硅陶瓷的研究和分析热潮[5， 6]。到90年代，氮化硅陶瓷已经由试验研究阶段走向了应用领域并且成功地实现了产业化。从90年代至今，人们对氮化硅陶瓷进行了比较全面、细致、深入的分析和研究，发现这种材料能够广泛地应用在一些高科技领域，成为某些领域非常重要的替代材料。我国从1970年左右开始对氮化硅陶瓷及其相关技术进行研究，在初始阶段主要对氮化硅陶瓷的性能、结构及其市场应用技术进行研究，在此之后，又对其加工与制备技术进行了研究[7-15]。
氮化硅作为现阶段一种非常重要的工程陶瓷，具有许多优点，如抗热、抗振、强度高、不易磨损、绝缘性能好、化学性稳定等[16]。氮化硅陶瓷材料在高温下仍具有良好的物理性能，该优异性能是目前众多学者专家研究的热点。如今，氮化硅陶瓷正在逐渐被广泛应用，应用领域包括机械工程及汽车领域中需要耐高温的外壳、化工行业所使用的耐腐蚀部件、半导体行业内的坩埚，以及代替金属材料的切削刀具、轴承及核反应堆中涉及的各种辅助部件(如隔离件等)，此外，因其优良的介电性能，而被研究用于高超声速飞行器上的一种新型材料[17， 18]。目前，制备氮化硅的主要方法有气压烧结法、热压烧结法、反应烧结法和无压烧结法等。经比较，相对于无压烧结法，热压烧结法所需成本高，气压烧结法在进行烧结时温度较为适中；从实际应用来看，反应烧结法制得的样品强度较低，不够致密[19]。
2. 氮化硅陶瓷材料结构与特性
物质结构是指物质材料的化学键与结晶结构。工程材料有分子键、金属键、共价键、离子键等四类键合的形式。当材料键合的形式差别很大时，其基本性质也会随之产生很大的区别。氮化硅的晶体化学键组成中，既包含共价键，也包含离子键，其中共价键占70%，离子键约占30%。陶瓷晶体材料中共价键和离子键所占比例的不同，会对材料的性能产生直接的影响。因氮化硅主要以共价键形式存在，故在温度变化过程中较为稳定，具有低的热膨胀性和高的热传导性。另外，共价键和离子键属于结合强度高、方向性强的两类结合键，故在这样的晶体结构中发生位错运动的概率很小[20-22]。这就决定了以氮化硅为代表的陶瓷材料和金属材料的性能完全不一样，*主要的区别是脆性大。
一般材料在静拉伸试验中，都会经历弹性变形、塑性变形及断裂等三个阶段。氮化硅材料在静弯曲(或常温静拉伸)负载作用下，塑性变形不会产生，即在陶瓷材料的变形过程中，塑性变形阶段会消失，变形过程只有弹性变形和脆性断裂。在工程材料中，能够反映材料性能的一个重要参数为弹性模量，它所表示的物理意义为材料在产生单位变形时所需要的外力。从宏观的角度来看，它反映的是材料的刚度；从微观的角度来看，它反映的是材料原子之间化学键结合能力的大小。氮化硅等陶瓷材料和金属材料具有不同的弹性模量，主要体现在以下三个方面[23-25]：
(1) 氮化硅陶瓷的离子键和共价键更强固，故其比金属类材料的弹性模量大很多倍。
(2) 氮化硅陶瓷材料在压缩变形时产生的模量一般会比拉伸变形时产生的模量大。
(3) 氮化硅陶瓷的模量是通过结合键和分配比例，以及组成该材料的相所属的类别及气孔率来确定的。
在氮化硅等陶瓷材料的晶体结构中，一般发生范性变形的两种方式为滑移和孪生。其中滑移是一种较为普遍存在的塑性变形方式，其定义为在外部所给切应力作用之下，晶体中的某一部分相对于另一部分沿着一个固定的晶面及晶向的移动。晶体的结构及其位向在发生移动时是始终保持不变的，即它不会沿着处于该晶体中的任意一个晶面及任意一方向移动，一般情况下原子排列*为紧密的那个晶面就是其滑移面。同理，原子密排的那个方向就是其滑移的方向。由位错理论可知，滑移并不是一种发生在晶体任意两个部分间相对刚性的移动，它由晶体间位错的移动来完成。
氮化硅陶瓷为多晶状态，一般来说多晶体较单晶体更不易发生滑移，因为其不规则的多晶体结构使其在常温下不易发生塑性变形。此外，氮化硅等陶瓷材料都是大点阵常数、结构复杂且含有多种元素的多元化合物。由位错能量公式可知，陶瓷晶体形成新的位错，较金属材料形成位错所需的能量更大，所以在氮化硅等工程陶瓷材料中很难发生位错现象。多晶体类陶瓷在受到外部应力作用时是比较容易发生塞积现象的，这是由于当陶瓷受外力时位错不能够轻易地穿过晶界。塞积现象同时也导致应力不易向邻近的晶粒传播，产生应力集中，故氮化硅等陶瓷材料具有塑性差、脆性大的特点。
1994年，Popper通过总结从20世纪70年代至1992年公开发表过的关于氮化硅陶瓷材料的文献，发表了一篇针对氮化硅陶瓷应用的论文，这篇论文囊括了世界上众多学者对氮化硅陶瓷材料的测量评估和有关其主要性能的理论性研究成果[26]。此后，Krstic等根据这篇文献对氮化硅陶瓷材料的物理性能进行了总结并做了对照表，详见表1.2[27]。氮化硅陶瓷比其他陶瓷材料有十分明显的优势，其能够表现出良好的耐高温性和只有熔融金属才具备的化学惰性。这种材料为高硬度的材料，所以耐磨性高并且比其他陶瓷材料的断裂韧性更高[28， 29]。
表1.2 氮化硅陶瓷材料综合性能
1.1.3 全陶瓷球轴承特性
轴承作为现代机械工业中极其重要的零部件，在复杂多变的工业环境中起到支撑旋转轴、减少摩擦磨损、降低热传递的重要作用。随着工程陶瓷制备、制造新技术的发展，以各类工程陶瓷为制造材料的精密全陶瓷球轴承开始大放异彩。精密全陶瓷球轴承因其密度低、抗磨损、耐高温、耐腐蚀、不导电、不导磁等诸多优点，广泛应用于真空、高污染、高温、高速、腐蚀等特殊极端工况，在航空航天、船舶制造、能源开发、高速高档机床等诸多领域得到越来越多的应用和发展。
陶瓷轴承不同于传统金属轴承的一点主要是材料的不同，同时陶瓷材料由于具有高硬度及高脆性等特点，制造加工比较困难，因此要想实现陶瓷轴承的批量化生产，必须解决陶瓷材料的加工技术。这就需要国内研究人员对其进行深入的研究，并且能够将实验室做出的研究数据转化为产品。国内的高端陶瓷轴承90%依赖于进口，这对国内陶瓷轴承制造企业造成了极大的冲击，但也使轴承行业清醒地认识到国内陶瓷轴承的巨大市场，要增强自身的竞争力，提高陶瓷轴承的制造技术水平。
全陶瓷球轴承与钢制球轴承组成组件一样，均由内外圈、球和保持架组成，图?1.1?所示为全陶瓷角接触球轴承的结构示意图。对于钢制高速角接触球轴承，一般它们的保持架由外圈引导；而对于全陶瓷角接触球轴承，由于陶瓷材料刚度大、热膨胀系数小、摩擦系数低，当存在球径误差时，高速运转过程中会产生小球径陶瓷球与内圈不接触的情况，导致较少的陶瓷球与内圈接触，使与内圈接触的陶瓷球受力增大，因此为了充分润滑、减小摩擦，将全陶瓷角接触球轴承设计为保持架由内圈引导，以使内圈滚道能够形成良好的润滑油膜。同时在保持架的引导面形成了油膜，在非承载区由于油膜的摩擦作用，内圈给保持架以拖动力，从而增加了保持架对陶瓷球的附加驱动力矩，进而可以起到防止打滑的效果。
图1.1 全陶瓷角接触球轴承结构示意图
在图1.1中，Di与Do分别为轴承内、外圈直径，di与do分别为轴承内、外圈滚道直径，dm为轴承节圆直径，Dw为球的直径，为接触角，ri、ro分别为内、外圈沟道曲率半径。陶瓷材料刚度较大，变形量相对较小，一般可以认为是点接触。
基于钢轴承的接触分析，设球为接触体I，内外圈为接触体II，并令凸面为正值，凹面为负值，可计算全陶瓷角接触球轴承各组件的主曲率分别如下。
球的曲率：
(1.1)
内圈的曲率：
(1.2)
外圈的曲率：
(1.3)
式中，*，为无量纲几何参量，*为轴承受载荷作用时的接触角，*；*、分别为轴承内、外圈沟道曲率半径系数。
全陶瓷角接触球轴承的主曲率和主曲率函数分别如下。
球与内圈：
(1.4)
(1.5)
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